PSOC实现电机转速的检测与控制
时间：2020-12-09 20:03:00 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：超声波电动机是近年来发展起来的一种新型电机，它的发展和应用离不开超声波电动机的驱动控制技术，并且在很大程度上驱动器的性能决定了超声波电动机的性能。PSOC（Programmable System-on-Chip）是一款单片片上功率系统，包含丰富的可编程模拟模块，还有专为触摸设计的CapSense模块，内置微处理器和数字模拟外设，是具有真正混合信号处理能力的可编程片上系统。本文主要介绍了PSOC技术在行波型旋转超声波电动机驱动的直线位移机构步进运动控制系统中的应用。
关键词：PSOC；电机转速；检测与控制
中图分类号：F40 文献标识码：A
1概述
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，把电能转换成弹性体的超声振动，通过摩擦偶合作用获得运动和力（矩）的一款发动机。由于航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，而使超声马达成为驱动器的最佳选择，所以超声波电动机在航空航天领域得到广泛的应用。本文基于行波型旋转超声波电动机设计了一种直线位移机构，想要实现其步进运动控制。以上功能的实现依托于一款功能强大、高集成度的微处理器，即为PSOC。
2 超声波电动机直线位移机构
该机构通过滚珠丝杆，将超声波电动机生成的旋转运动转变为顶杆的直线运动。如图1所示，该直线位移机构的组成元件为螺母导向座、平键、滚珠丝杠与顶杆，最后是超声波电动机。将螺母导向座安装在超声波电动机上，超声波电动机输出轴与滚珠丝杠轴由轴销连接，导向座内壁有两个键槽，分别安装了平键，通过平键将丝杠螺母定位在螺母导向座里，由小螺钉将顶杆定在丝杠螺母之上。通过轴销，电动机输出轴驱动丝杠轴而——旋转，且由平键定位，沿着螺母导向座的轴向方向，滚珠丝杠螺母成直线运动，最后，通过滚珠丝杠螺母，顶杆做往复直线运动。
3 控制系统工作原理
如图2所示是早期的超声波电动机控制系统原理框图。图3所示是以PSOC为核心构件的超声波电动机驱动电路框图。PWM-DB16是l6位带死区的脉宽调制模块，模块的PWM输出频率的周期由PWM-DB16模块的Peirod寄存器来决定；PWM输出频率的脉宽由PulseWidth寄存器决定；P1与P2两个反相信号前/后沿之间的死区时间由DeadTime寄存器决定。PWM模块输出是CPU所带的外部接口电路。由PWM—DB16模块产生相位四路方波信号，经推挽逆变电路转化成一路正弦信号，相应的PWM2发出两路信号转换成一路余弦信号，最后，两路相位差为π/2的同频、等幅交变电压加在超声波电动机的两组压电陶瓷元件上驱动其转子转动。图3中ADCINC12是增量型模数转换器。
4 系统各部分构成
4.1 PWM速度控制原理
通过单片机输出的控制波型是占空比不同的矩形波，用其来控制的主电路的输出也是一个矩形波。对电机来说，当有电流流过电机绕组线圈时，就会产生一个转矩，使电机的转子转动起来，没有电流时就没有转矩产生。但是，由于电机转子本身有惯性，所以电机转起来后，在后续的一段时间内就算没有电流，电机还是会转动。而实际上单片机输出的矩形波的频率也较高，这样电机就可以持续不断的转动。我们通过控制输出波形的占空比，使电机在一定的时间内电流流过的时间不一样。在宏观上来看，就是电机的转速不一样。这样通过调节矩形波的占空比，就可实现电机的速度调节。此处选用两个PWM模块，通过相应配置，可实现4路PWM波形输出，如图四所示。
4.2 PWM信号频率确定
调速由PWM信号频率大小决定，电机的额定转速（）和转子磁极数（2p）影响PWM信号频率大小。当驱动每相电枢绕组时间内逆变桥有足够多的PWM脉冲个数时，调速才能有效。如此，PWM信号频率应远远在6p的值之上。比如：p=1，=500r/min，那么PWM信号频率应远远在300Hz的值之上。此外，由于电机辐射的音频磁场会伤害到人体健康，所以一般选择大于10kHz的信号频率才行。
4.3 超声波电动机的脉冲响应特性
脉冲响应特性即激励脉冲和电机位移量的对应关系。由于传统电磁步进电动机的结构和驱动信号特点，使得电机在一个脉冲信号内只能走一个恒定的步距角。而以压电陶瓷的逆压电效应和定子的超声振动为基本原理的直线型超声波电动机，借助于定、转子之间的摩擦作用，实现定子机械振动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。由图5可知，当电机外界条件一定时，电机移动的位移和给定的脉冲数成正比，是种线性关系，但超声波电动机的非线性、导轨的平行度、摩擦介面均匀度等因素影响，该曲线不完全是种线性关系。但是和传统电磁步进电机一样，超声波电动机每一步移动的位移即为步距。
在频率119.2kHz、电压峰峰值200V，两相驱动电压相位差90度的条件下，测得图五所示的曲线。超声波电机通过施加不同脉冲数的驱动信号，得到电机位移与驱动脉冲个数的数学关系，如图四所示。由PC机即上位机的RS-232接口与下位机相连，当下位机收到启动信号指令和脉冲个数后进行超声波电动机的控制（单步驱动脉冲数的控制）和位移检测。经过多次反复实验得到如图五所示的超声波电机的脉冲响应特性曲线。
由图五可知，当脉冲数小于6时，电机的位移基本不变，是个常数，而当大于6时则随着脉冲数的增加，电机的位移也随着逐渐的增大。
4.4 控制策略
超声波电动机具有步进的功能，可以有非常小的步距角，即分辨率可以达到很高的水准，因此能实现各种精密的定位控制，该方法被称为步进定位控制法，而在这里被称为步进定位控制。其控制算法的基本原理如下：根据所需定位位置和精度要求，电机的运行位置可以分为三种：连续、步进和停止。在这里，需要定义三个参数，第1个参数是连续运行切换到单步运行的提前量，该值不过是用来确定电机变为单步运行的位置，且与单步运行的步距角大小有关，但不会影响到定位精度；第2个参数是单步步距角和单步波数，单步波数越大则步距角越大，反之则越小，且影响定位精度。第3个参数是抵达目标位置之前，控制器发出停止命令的提前量，也直接影响到定位的精度。
当超声波电动机步进运行时，电机要运行到目标位置，需要系统等待电机在本次激励停止，再次检测并得到电机实际位置和目标位置的差，来决定下个步进的脉冲数，以达到逐次逼近目标位置的目的。
下面介绍脉冲数查表控制法。步进模式时每一步的脉冲数可由下式得到：
N（t）=Tab[Δs]
式中：ΔS=S—S（t）；S为目标位置，S（t）为t时刻的实际位置，通过ΔS的符号来判断电机下一步运行的方向，直至到达目标位置电机停止。若ΔS为正值表示未到目标位置，为负值表示已超过目标位置。在上述假设条件下，通过实验得出TAB[ ]={0，6，l0，14，18，22，26，30}，可见，该算法使用的步进组数更少，定位更加准确快速。
参考文献
[1]何宾.可编程片上系统PSoC设计指南[M].北京：化学工业出版社，2011.
[2]赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京：科学出版社，2007.
[3] 王华东. PSoC实现电机转速的检测与控制[J]. 电子机械工程，2004.
